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碳基磁性复合薄膜的磁输运特性

范子薇  
【摘要】:非晶态碳基磁性复合材料具有长自旋扩散长度和自旋弛豫时间、可调控的电学性质以及丰富的铁磁复合界面性质等优势,近年来在自旋电子学领域的应用备受关注。非晶态碳基磁性复合材料独特的电子结构和物理性质决定了其电输运性质和磁电阻效应呈现复杂、多样化的特点,其中的物理机制有待深入系统的研究。 本论文用对向靶磁控溅射法制备了铁磁/非晶态碳(Co/C)颗粒薄膜、反铁磁/非晶态碳(Cr/C)颗粒薄膜以及铁磁/非晶态碳/单晶硅(Fe3O4/a-C/n-Si)异质结,并对它们的微观结构、电输运性质和磁电阻效应进行了系统研究。 在Co/C颗粒薄膜中,随着Co含量逐渐增大,相互独立的Co颗粒逐渐连通,Co/C颗粒薄膜的电输运机制从绝缘性传导转变为金属性传导。绝缘传导区域的Co/C颗粒薄膜在低温下表现出弱饱和性的负磁电阻效应,源自界面自旋在磁场下的相对一致排列。除高阶隧穿外,高界面自旋极化率也是导致显著的负磁电阻的原因之一。界面处的p d杂化作用会导致界面自旋极化,并受到母体内部sp2C含量的影响。金属性传导的Co/C颗粒薄膜的低温磁电阻效应是来自弱局域效应的负磁电阻和电子电子相互作用引起的线性正磁电阻相互竞争的结果。 Cr/C颗粒薄膜具有非均匀的颗粒结构,电输运机制为隧穿传导。Cr/C颗粒薄膜在低温下具有自旋相关的弱饱和负磁电阻效应,在2K温度和90kOe磁场下,磁电阻值达到19.5%。通过拟合得到Cr/C颗粒薄膜的界面自旋极化率为21%。这一结果证实了金属与碳原子的杂化作用能够产生一定的自旋极化率。Cr/C颗粒薄膜在2~300K的温度区间内均表现为铁磁性,磁性来源与母体中的磁性杂质有关,可以用类似于束缚磁极化子的模型进行解释。Cr/C颗粒薄膜的高居里温度来自Cr杂质原子与C原子间的杂化作用。 Fe3O4/a-C/n-Si异质结的I V曲线表现出非线性。当a-C层厚度较薄时,Fe3O4/a-C/n-Si异质结的电输运机制为热场发射机制;当a-C层厚度较厚时,异质结的主要导电机制为隧穿传导机制。相比较于Fe3O4/n-Si异质结,插入a-C层后,异质结的室温正磁电阻值从2.0%增大至18.9%。异质结的正磁电阻效应来自界面能带偏移导致的界面散射。Fe3O4和a-C层间的界面混合程度随a-C层厚度增加而增强,使界面散射更为强烈,从而提高了正磁电阻值。


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